金属表面改質方法
【課題】応力腐食割れを低減させることが可能であり、腐食および応力腐食割れの抑制効果が持続でき、金属材料の表面において残留応力や微小亀裂が発生している場合にはその補修もできる金属表面改質方法を提供する。
【解決手段】金属基材１表面に耐食性材料４を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材１表面に耐食性材料４から成る肉盛層３を形成することにより、金属基材１表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法である。
【解決手段】金属基材１表面に耐食性材料４を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材１表面に耐食性材料４から成る肉盛層３を形成することにより、金属基材１表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属表面改質方法に係り、特に溶接部近傍の応力腐食割れが発生する可能性のある部位について、低温プロセスである摩擦攪拌接合技術を用いて応力腐食割れを低減させることが可能な金属表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料で構成した構築物を過酷な環境条件下で長期間継続して使用すると、環境疲労により表面の硬化や微小亀裂等の表面劣化が生じ易い。このような表面劣化を抑制または抑止するために、従来から侵炭や窒化処理、めっき、塗装、酸化膜生成等、種々の表面処理が構築物表面や素材表面（作用面）に施工されている。またチタニアの塗布により生じる光触媒効果による材料表面の耐食性向上や撥水効果を利用することも広く実施されている。このような表面処理を実用化する場合の要点は、これらの効果の永続性および耐久性である。
【０００３】
また水環境に浸漬された状態で使用されるステンレス鋼構造物では、応力腐食割れがしばしば問題となる。この応力腐食割れは、構造物内の残留応力と結晶粒界における耐食性の低下とが相乗して生じる欠陥である。その対策として結晶粒内および粒界における機械強度特性を均質化すること、残留応力を均質化し、可及的に緩和すること、耐食性の均質化を計ることが従来から挙げられている。その具体的な対策手法として残留応力除去熱処理やピーニング処理が広く採用されている。しかしながら、これらの手法は微小亀裂が発生した後では効果が小さい。そこで微小亀裂が発生する前の段階においても、また発生した後においても欠陥を解消できる有効な表面処理法が望ましいが、そのような手法で実効性が高い手法は得られていない。
【０００４】
具体的には、一般に原子力プラントにおける原子炉内構造物や配管等は、ステンレス鋼製の溶接構造物で構成されていることから、溶接部近傍が溶接時の熱影響により耐食性が低下する。この耐食性の低下に起因して、原子炉運転中の高温高圧水環境下において溶接部近傍での応力腐食割れによる損傷事例が報告されている。そこで、炉内構造物等のステンレス鋼製機器において応力腐食割れ発生の可能性を低減するために、溶接部を減らしたり、あるいは溶接入熱を低減したりするなどの改善が実施されてきた。
【０００５】
上記のような応力腐食割れを低減させるためには、構造物表面の耐食性を向上させる技術が必要である。各種の耐食性向上技術の中でも低入熱プロセスとして、近年実用化が進んでいる英国ＴＷＩ（Ｔｈｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）社が開発した摩擦攪拌接合技術を利用した表面改質技術は有効な技術の一つと考えられる。
【０００６】
また、配管接続部の補修方法として、上流側配管と下流側配管とが６００合金を用いたアーク溶接法により形成される接続部で接続されている流体配管に対して、この接続部が被覆されるように６９０合金製のスリーブを配管内面に配置し、このスリーブの高温高圧流体の搬送方向両端部とこれに対向する流体配管の内面とを、摩擦攪拌接合法を用いて接合することにより、配管接続部における応力腐食割れの発生を防止すると共に、この配管接続部と高温高圧流体とを遮断するために設けられる６９０合金と配管との接続部における応力腐食割れの発生を防止する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１４７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の原子炉内構造物や配管においては、ステンレス鋼製の溶接構造物であるため、原子炉運転中の高温高圧水環境下において溶接部近傍で応力腐食割れが発生し易く、炉内構造物の耐久性および寿命が低下し易いという解決すべき課題があった。
【０００８】
また、溶接時に熱影響が生じにくいステンレス鋼に構成材を変更した場合においても、上記応力腐食割れの発生が報告されており、耐食性を効果的に改善できる簡易な処理方法の実現が期待されている。
【０００９】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、溶接部近傍の応力腐食割れが発生する可能性のある部位について、低温プロセスである摩擦攪拌接合技術を用いた応力腐食割れを低減させることが可能であり、腐食および応力腐食割れの抑制効果が持続でき、金属材料の表面において残留応力や微小亀裂が発生している場合にはその補修もできる金属表面改質方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る金属表面改質方法は、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする。
【００１１】
上記金属基材としては、特に限定されるものではなく、鉄合金、ニッケル基合金、ステンレス鋼、チタン合金等あらゆる金属基材が改質処理の対象となる。上記摩擦攪拌により金属基材表面に肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することができる。
【００１２】
また、上記金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてニッケル基合金、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金を用いることが好ましい。これらのニッケル基合金等は、特に耐食性に優れているために金属基材の耐食性向上に有効である。
【００１３】
さらに、本発明に係る金属表面改質方法は、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする。
【００１４】
上記摩擦攪拌により金属基材表面に耐食性材料の拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することができる。
【００１５】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料としての薄板、箔、粉末の少なくとも１種を金属基材表面に配置した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることが好ましい。上記摩擦攪拌により金属基材表面に、耐食性材料から成る拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが可能になる。
【００１６】
さらに、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がチタン（Ｔｉ）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニウム（Ｚｒ），ジルコニア（ＺｒＯ２）であることが好ましい。
【００１７】
特に、上記チタンやジルコニウムがステンレス鋼（基材）表面に埋没されることにより、これらの耐食性材料が金属基材内部に均一に分散し、摩擦熱による基材表面近傍におけるスカベンジ効果により、金属基材の結晶粒内で不純物が捕獲され、粒界付近における不純物が低減できるため、耐食性の向上が達成できる。一方、チタニアやジルコニアが金属基材の組織内に均一に埋没されると、金属基材の機械的強度や硬度も均一になり、基材組織の粒界破壊が効果的に抑制できる。
【００１８】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することにより耐食性材料層を形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが好ましい。上記耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することにより耐食性材料層を形成しているために、基材表面に配置する耐食性材料の配置量を高精度に制御できる。
【００１９】
さらに、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を溶射によって形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが好ましい。上記溶射処理によれば金属基材表面に耐食性材料を容易に形成できる。
【００２０】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を先端に一体的に保持した回転治具を用い、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することが好ましい。上記回転治具を回転させることにより、金属基材表面に対する摩擦攪拌操作を均一に実施できる。
【００２１】
なお、上記回転治具は処理面に対して直角な回転軸に対して回転自在に構成される一方、回転軸が金属基材表面に沿って移動できるように構成される。この回転治具の回転数および移動速度は、金属基材および耐食性材料の仕様によっても異なるが、概ね回転数は８００−１２００ｒｐｍ程度であり、移動速度は１０〜１２０ｍｍ／ｓｅｃ程度である。
【００２２】
さらに上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有した焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具を用い、この回転治具を金属基材表面に押圧し、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することが好ましい。上記回転治具によれば、焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具自体に耐食性材料が含有されているために、耐食性材料の含有量を高精度に調整できる。
【００２３】
また上記金属表面改質方法を、金属基材が原子力プラントの原子炉内構造物または配管内面に適用したときに、特に応力腐食割れを未然に防止する効果が得られると共に、金属基材表面に発生した応力腐食割れを補修することも可能になる。
【００２４】
さらに上記金属表面改質方法は水中で実施することも可能であり、金属基材表面に発生した応力腐食割れを効果的に補修することが可能になる。
【００２５】
すなわち、本発明では、被表面改質材（金属基材）に回転治具（圧接棒）を接触させた状態で回転または小刻みに摺動させながら押圧し、接触面で生じる摩擦を利用し、耐食性材料から成る回転治具自体の摩耗により生じた耐食性材料または回転治具に含有されたり付着されたりした耐食性材料を金属基材表面に擦り込むことにより、金属基材の表面組成の均質化と、残留応力の均質化（緩和）と、耐食性材料を摩耗させて亀裂箇所を埋め合わせることによる微小亀裂の修復とを同時に達成するものである。本発明に係る金属表面改質方法では、局所的に発生させる摩擦のみを利用する処理法であるため、施工環境を問わず、大気中でも水中でも実施可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る金属表面改質方法によれば、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層や金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成しているために、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを効果的に防止することができる。
【００２７】
特に摩擦攪拌操作は、低温プロセスであるために、溶接部近傍などの応力腐食割れが発生し易い部位に対して、熱影響を及ぼす恐れが少なく金属基材の脆化や劣化を生じることがなく応力腐食割れを効果的に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る表面改質方法の実施例について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明に係る表面改質方法を実施している状態を示す斜視図である。本実施例１で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、耐食性材料４としてのニッケル基合金で全体を形成した回転治具２とから構成されている。
【００３０】
そして、金属基材１表面に耐食性材料４から成る回転治具２を接触させて矢印方向に回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を矢印方向に起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１表面に耐食性材料４から成る肉盛層（摩擦肉盛層）３が形成される。形成された摩擦肉盛層３は、金属基材１に比較して耐食性が良好であるため、金属基材１表面の耐食性を向上させ、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３１】
また、本実施例１において使用した回転治具２の構成材としてニッケル基合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れの発生を効果的に防止することができる。
【００３２】
また、本実施例１で使用した回転治具２を構成する耐食性材料４としてチタンあるいはチタン合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３３】
また、本実施例１で使用した回転治具２を構成する耐食性材料４としてジルコニウムあるいはジルコニウム合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３４】
また、本実施例１に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れが低減されると共に、発生した割れに耐食性材料が埋め込まれるために、割れを補修することも可能になる。
【００３５】
また、本実施例１に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位で水中に浸漬した部位に適用した場合においても、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させると共に、割れを補修することが可能になる。
【００３６】
本実施例１に係る表面改質方法によれば、耐食性材料４を摩擦攪拌することにより金属基材１表面に摩擦肉盛層３を形成しているため、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減することができる。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明に係る表面改質方法の実施例２について図２を参照して説明する。図２は本発明に係る表面改質方法の実施例２を実施している状態を示す斜視図である。本実施例２で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、金属基材１表面に配置された板状または箔状の耐食性材料１１と、高硬度の超硬合金を構成材として円柱状に形成された非消耗型の回転治具１２とから構成されている。また、回転治具の先端部１２ａは球面状に形成されている。
【００３８】
そして、上記金属基材１表面に接触させる耐食性材料としての薄板または箔を金属基材１表面に配置した後に、非消耗型の回転治具１２の先端部１２ａを接触させて回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１と耐食性材料１１とが接合されると共に、金属基材１表面に耐食性材料４から成る摩擦攪拌層１３が形成される。この摩擦攪拌層１３には、耐食性材料４が金属基材１方向に拡散して形成される拡散層１４を含んでいる。
【００３９】
形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料１１と同一材料から成るため、金属基材１と比較して耐食性が良好であり、金属基材１表面の耐食性を向上させて原子炉運転中の高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４０】
また、本実施例２で使用した薄板状または箔状の耐食性材料１１に替えて、粉末状の耐食性材料または耐食性材料を含有する液体を塗布・乾燥した耐食性材料層を形成した場合においても、非消耗型の高硬度を有する回転治具１２を摩擦攪拌することにより金属基材１と耐食性材料とが接合される。形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料と同一材料であるため、金属基材１と比較して耐食性が良好であり、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４１】
また、本実施例２において使用した耐食性材料１１に替えて溶射により金属基材１表面に耐食性材料層を形成した場合においても、非消耗型の高硬度を有する回転治具１２を摩擦攪拌することにより金属基材１と耐食性材料とが接合される。形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料１１と同一材料で形成されているために、金属基材１に比較して耐食性が良好であり、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４２】
また、本実施例２に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修が可能になる。
【００４３】
また、本実施例２に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に対して原子炉内水中で実施した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も可能になる。
【００４４】
本実施例２に係る表面改質方法によれば、金属基材１に耐食性材料１１を接触させ、非消耗型の高硬度を有する回転治具を用いて摩擦攪拌して両部材を接合させることにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【実施例３】
【００４５】
次に、本発明の実施例３について図３を参照して説明する。図３は本発明に係る表面改質方法の実施例３を実施している状態を示す斜視図である。本実施例３で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、高硬度の超硬合金を構成材として円柱状に形成された非消耗型の回転治具２２と、回転治具２２の表面に付着された粉末状の耐食性材料２１とから構成されている。
【００４６】
そして、金属基材１に対し耐食性材料２１が表面に付着している高硬度を有する非消耗型の回転治具２２を金属基材１表面に接触させて矢印方向に回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を矢印方向に起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１表面に耐食性材料２１から成る摩擦攪拌層２３が形成される。この摩擦攪拌層２３には、耐食性材料２１が金属基材１方向に拡散して形成される拡散層１４を含んでいる。
【００４７】
本実施例３に係る表面改質方法によれば、摩擦攪拌を実施することにより、耐食性材料２１が金属基材１表面に拡散するため、金属基材１表面の耐食性が増加し、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４８】
また、本実施例３に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も可能となる。
【００４９】
また、本実施例３に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に原子炉内水中で実施することも可能であり、この場合、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も実施できる。
【００５０】
本実施例３に係る表面改質方法によれば、耐食性材料が表面に付着している非消耗型の高硬度を有する回転治具を金属基材１に押圧させた状態で摩擦攪拌を実施しているために、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中の高温高圧水環境下における応力腐食割れの発生を低減できる。
【実施例４】
【００５１】
次に、本発明の他の実施例について図４〜図７を参照して、より詳細に説明する。図４は本発明に係る表面改質方法の実施例４において、摩擦攪拌を実施する前の状態を示す斜視図であり、図５は摩擦攪拌を実施した後の状態を示す斜視図である。また、図６は図４に示す状態の側断面図であり、図７は図５に示す状態の側断面図である。
【００５２】
本実施例４に係る表面改質方法を適用する金属基材１は、例えば原子力プラントにおける原子炉内構造物や配管を構成する金属基材であり、鉄合金、ニッケル基合金、ステンレス鋼、チタン合金等あらゆる金属が対象となる。本実施例４ではステンレス鋼製の金属基材１に適用した場合を説明する。
【００５３】
圧接棒として作用する回転治具３２は、回転運動や往復運動が可能なものであれば形状に制限はないが、攪拌作用を均一に行うために丸棒が好適である。回転治具３２の材質は、基本的には、金属基材１と同一材料のとも材であるステンレス鋼が採用されるが、チタン、ジルコニウムやその酸化物であるチタニアやジルコニア等の耐食性材料３１を含有した材料で形成しても良い。この耐食性材料３１を含有させる方法としては、耐食性材料３１を回転治具３２の構成材に固溶させてもよいし、耐食性材料３１と回転治具３２の構成材とを、粉末冶金法やメカニカルアロイング法で複合化する方法でも良い。本実施例４においては、図４および図６に示すように、耐食性材料３１としてチタニア（ＴｉＯ２）粉末を処理対象となる金属基材１表面に予め分散配置した。
【００５４】
上記回転治具３２は、金属基材１表面に加圧接触された状態で回転される。そして接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌が実行される。このとき、接触面の摩擦により、金属基材（被改質材）１と回転治具（圧接棒）３２との間で新生面が出現し、図５および図７に示すように、耐食性材料３１の固相拡散が生じて拡散層１４が形成されると共に、金属基材１と耐食性材料３１とが摩擦によって攪拌され、摩擦攪拌層３３が形成される。
【００５５】
上記実施例４に係る表面改質方法によれば、金属基材１表面に耐食性材料３１と基材成分とから成る摩擦攪拌槽３３および拡散層１４が形成されているために、金属基材１表面の耐食性が向上し金属基材１の応力腐食割れが効果的に防止される。
【００５６】
なお、チタンやチタニアが回転治具３２に含有されたり付着されたりしている場合には、金属基材１の表面近傍で上記チタンやチタニアが包含された状態になる。チタニアやジルコニア３等の耐食性材料３１は、図４に示すように金属基材１表面に、塗布、蒸着、溶射、イオン注入等により予め配置しておいてもよい。この耐食性材料３１の一部は摩擦攪拌時に金属基材１表面内に巻き込まれ、基材表面近傍に包含される。
【００５７】
図６および図７は、それぞれ図４および図５に示す状態を側面から観察した断面図であり、図６は表面改質施工前で摩擦攪拌の準備段階を示し、図７は表面改質施工後で摩擦攪拌の完了段階を示す。図７に示すように、回転治具（圧接棒）３２が通過すると金属基材１表面にあったチタニア粉末３が金属基材１の表面近傍に包含され、摩擦攪拌槽３３および拡散層１４が形成される。チタニア３の包含量を増やすためには、塗布の密度を高くするか、チタニアを含有した回転治具３２を併用する。また回転治具３２の回転速度、形状、移動速度を変更して攪拌強度を調整することも可能である。いずれにしても、回転治具３２は、摺動摩耗により経時的に損耗していくので、適当な時期に交換する必要がある。
【００５８】
なお、本実施例４で使用した金属基材１のように、ステンレス鋼で構成された構造物では、通常は部材表面にクロム酸化膜が存在することにより耐食性を維持している。しかしながら、構造物としての過酷な使用条件や加工方法によっては、本来、均一であるべきクロム濃度にばらつきが生じ、耐食性が劣化する。同様な理由で、金属基材組織に局部的に強度や硬さのばらつきが発生することに起因する内部ひずみが相乗して、割れが生ずる場合がある。そのような場合に、摩擦攪拌を実施することにより、それまでのクロム酸化膜は破壊されるが、新生面が形成される際に摩擦熱で組成の均一化が進行し、良好なクロム酸化膜が再生され、金属基材の耐食性が改善される。また、元の表面が破壊され接合部が新生表面に更新される一方、入熱領域が狭い範囲に限定されるため、加工ひずみは回転治具の回転と摩擦熱とにより減少する効果が得られる。
【００５９】
さらに、摩擦攪拌によってチタンやジルコニウムがステンレス鋼（基材）表面に埋没されることにより、これらの耐食性材料が金属基材内部に均一に分散し、摩擦熱による基材表面近傍におけるスカベンジ効果により、金属基材の結晶粒内で不純物が捕獲され、粒界付近における不純物が低減できるため、耐食性の向上が達成できる。一方、チタニアやジルコニアが金属基材の組織内に均一に埋没されると、金属基材の機械的強度や硬度も均一になり、基材組織の粒界破壊が効果的に抑制できる効果も得られる。
【００６０】
また金属基材（被表面改質材）に微小亀裂が発生している場合、圧接棒としての回転治具がとも材で構成されていれば、摩擦圧接の原理により亀裂を埋め合わせることができる。摩擦圧接は異種金属を効果的に接合できる優れた手法であり、接合する部材を高速で擦り合わせ、その摺動時に生じる摩擦熱と圧力とによって、通常の溶接では接合されにくい部材同士を結合する手法である。一般的には、対象部材同士を固定して押し付け合わせ、少なくとも一方の部材を回転させる必要があるが、金属基材（被表面改質材）が構造部材であれば、圧接棒としての回転治具のみを回転させることにより同様の効果を得ることができる。
【００６１】
本実施例のような金属表面改質方法は、素材段階のみならず、既にプラントに組み込まれて稼動している部材についても、圧接棒としての回転治具のアクセスさえ確保できれば施工が可能である。その場合、必要な箇所、例えばステンレス鋼構造物であれば溶接熱影響部およびその周辺、あるいは屈曲部だけに施工しても良い。
【００６２】
本実施例に係る金属表面改質方法によれば、金属材料の表面において、腐食や応力腐食割れの抑制効果を長期間持続させることができ、残留応力や微小亀裂が存在する場合にはその補修処理も兼ねる表面改質手法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る表面改質方法の第１実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図２】本発明に係る表面改質方法の第２実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図３】本発明に係る表面改質方法の第３実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図４】本発明に係る表面改質方法の第４実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図５】本発明に係る表面改質方法の第５実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図６】図４に示す状態の側断面図。
【図７】図５に示す状態の側断面図。
【符号の説明】
【００６４】
１ 金属基材（被改質処理材）
２ 耐食性材料で構成された回転治具
３ 摩擦肉盛層
４ 耐食性材料
１１、２１、３１ 耐食性材料（チタニア粉末）
１２、２２、３２ 高硬度を有する回転治具
１２ａ 回転工具の先端部
１３、２３、３３ 摩擦攪拌層
１４ 拡散層
【技術分野】
【０００１】
本発明は金属表面改質方法に係り、特に溶接部近傍の応力腐食割れが発生する可能性のある部位について、低温プロセスである摩擦攪拌接合技術を用いて応力腐食割れを低減させることが可能な金属表面改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料で構成した構築物を過酷な環境条件下で長期間継続して使用すると、環境疲労により表面の硬化や微小亀裂等の表面劣化が生じ易い。このような表面劣化を抑制または抑止するために、従来から侵炭や窒化処理、めっき、塗装、酸化膜生成等、種々の表面処理が構築物表面や素材表面（作用面）に施工されている。またチタニアの塗布により生じる光触媒効果による材料表面の耐食性向上や撥水効果を利用することも広く実施されている。このような表面処理を実用化する場合の要点は、これらの効果の永続性および耐久性である。
【０００３】
また水環境に浸漬された状態で使用されるステンレス鋼構造物では、応力腐食割れがしばしば問題となる。この応力腐食割れは、構造物内の残留応力と結晶粒界における耐食性の低下とが相乗して生じる欠陥である。その対策として結晶粒内および粒界における機械強度特性を均質化すること、残留応力を均質化し、可及的に緩和すること、耐食性の均質化を計ることが従来から挙げられている。その具体的な対策手法として残留応力除去熱処理やピーニング処理が広く採用されている。しかしながら、これらの手法は微小亀裂が発生した後では効果が小さい。そこで微小亀裂が発生する前の段階においても、また発生した後においても欠陥を解消できる有効な表面処理法が望ましいが、そのような手法で実効性が高い手法は得られていない。
【０００４】
具体的には、一般に原子力プラントにおける原子炉内構造物や配管等は、ステンレス鋼製の溶接構造物で構成されていることから、溶接部近傍が溶接時の熱影響により耐食性が低下する。この耐食性の低下に起因して、原子炉運転中の高温高圧水環境下において溶接部近傍での応力腐食割れによる損傷事例が報告されている。そこで、炉内構造物等のステンレス鋼製機器において応力腐食割れ発生の可能性を低減するために、溶接部を減らしたり、あるいは溶接入熱を低減したりするなどの改善が実施されてきた。
【０００５】
上記のような応力腐食割れを低減させるためには、構造物表面の耐食性を向上させる技術が必要である。各種の耐食性向上技術の中でも低入熱プロセスとして、近年実用化が進んでいる英国ＴＷＩ（Ｔｈｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）社が開発した摩擦攪拌接合技術を利用した表面改質技術は有効な技術の一つと考えられる。
【０００６】
また、配管接続部の補修方法として、上流側配管と下流側配管とが６００合金を用いたアーク溶接法により形成される接続部で接続されている流体配管に対して、この接続部が被覆されるように６９０合金製のスリーブを配管内面に配置し、このスリーブの高温高圧流体の搬送方向両端部とこれに対向する流体配管の内面とを、摩擦攪拌接合法を用いて接合することにより、配管接続部における応力腐食割れの発生を防止すると共に、この配管接続部と高温高圧流体とを遮断するために設けられる６９０合金と配管との接続部における応力腐食割れの発生を防止する方法も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１４７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の原子炉内構造物や配管においては、ステンレス鋼製の溶接構造物であるため、原子炉運転中の高温高圧水環境下において溶接部近傍で応力腐食割れが発生し易く、炉内構造物の耐久性および寿命が低下し易いという解決すべき課題があった。
【０００８】
また、溶接時に熱影響が生じにくいステンレス鋼に構成材を変更した場合においても、上記応力腐食割れの発生が報告されており、耐食性を効果的に改善できる簡易な処理方法の実現が期待されている。
【０００９】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、溶接部近傍の応力腐食割れが発生する可能性のある部位について、低温プロセスである摩擦攪拌接合技術を用いた応力腐食割れを低減させることが可能であり、腐食および応力腐食割れの抑制効果が持続でき、金属材料の表面において残留応力や微小亀裂が発生している場合にはその補修もできる金属表面改質方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明に係る金属表面改質方法は、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする。
【００１１】
上記金属基材としては、特に限定されるものではなく、鉄合金、ニッケル基合金、ステンレス鋼、チタン合金等あらゆる金属基材が改質処理の対象となる。上記摩擦攪拌により金属基材表面に肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することができる。
【００１２】
また、上記金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてニッケル基合金、チタン、チタン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金を用いることが好ましい。これらのニッケル基合金等は、特に耐食性に優れているために金属基材の耐食性向上に有効である。
【００１３】
さらに、本発明に係る金属表面改質方法は、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする。
【００１４】
上記摩擦攪拌により金属基材表面に耐食性材料の拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することができる。
【００１５】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料としての薄板、箔、粉末の少なくとも１種を金属基材表面に配置した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることが好ましい。上記摩擦攪拌により金属基材表面に、耐食性材料から成る拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが可能になる。
【００１６】
さらに、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がチタン（Ｔｉ）、チタニア（ＴｉＯ２）、ジルコニウム（Ｚｒ），ジルコニア（ＺｒＯ２）であることが好ましい。
【００１７】
特に、上記チタンやジルコニウムがステンレス鋼（基材）表面に埋没されることにより、これらの耐食性材料が金属基材内部に均一に分散し、摩擦熱による基材表面近傍におけるスカベンジ効果により、金属基材の結晶粒内で不純物が捕獲され、粒界付近における不純物が低減できるため、耐食性の向上が達成できる。一方、チタニアやジルコニアが金属基材の組織内に均一に埋没されると、金属基材の機械的強度や硬度も均一になり、基材組織の粒界破壊が効果的に抑制できる。
【００１８】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することにより耐食性材料層を形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが好ましい。上記耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することにより耐食性材料層を形成しているために、基材表面に配置する耐食性材料の配置量を高精度に制御できる。
【００１９】
さらに、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を溶射によって形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することが好ましい。上記溶射処理によれば金属基材表面に耐食性材料を容易に形成できる。
【００２０】
また、上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を先端に一体的に保持した回転治具を用い、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することが好ましい。上記回転治具を回転させることにより、金属基材表面に対する摩擦攪拌操作を均一に実施できる。
【００２１】
なお、上記回転治具は処理面に対して直角な回転軸に対して回転自在に構成される一方、回転軸が金属基材表面に沿って移動できるように構成される。この回転治具の回転数および移動速度は、金属基材および耐食性材料の仕様によっても異なるが、概ね回転数は８００−１２００ｒｐｍ程度であり、移動速度は１０〜１２０ｍｍ／ｓｅｃ程度である。
【００２２】
さらに上記金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有した焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具を用い、この回転治具を金属基材表面に押圧し、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することが好ましい。上記回転治具によれば、焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具自体に耐食性材料が含有されているために、耐食性材料の含有量を高精度に調整できる。
【００２３】
また上記金属表面改質方法を、金属基材が原子力プラントの原子炉内構造物または配管内面に適用したときに、特に応力腐食割れを未然に防止する効果が得られると共に、金属基材表面に発生した応力腐食割れを補修することも可能になる。
【００２４】
さらに上記金属表面改質方法は水中で実施することも可能であり、金属基材表面に発生した応力腐食割れを効果的に補修することが可能になる。
【００２５】
すなわち、本発明では、被表面改質材（金属基材）に回転治具（圧接棒）を接触させた状態で回転または小刻みに摺動させながら押圧し、接触面で生じる摩擦を利用し、耐食性材料から成る回転治具自体の摩耗により生じた耐食性材料または回転治具に含有されたり付着されたりした耐食性材料を金属基材表面に擦り込むことにより、金属基材の表面組成の均質化と、残留応力の均質化（緩和）と、耐食性材料を摩耗させて亀裂箇所を埋め合わせることによる微小亀裂の修復とを同時に達成するものである。本発明に係る金属表面改質方法では、局所的に発生させる摩擦のみを利用する処理法であるため、施工環境を問わず、大気中でも水中でも実施可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る金属表面改質方法によれば、金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層や金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成しているために、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを効果的に防止することができる。
【００２７】
特に摩擦攪拌操作は、低温プロセスであるために、溶接部近傍などの応力腐食割れが発生し易い部位に対して、熱影響を及ぼす恐れが少なく金属基材の脆化や劣化を生じることがなく応力腐食割れを効果的に低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明に係る表面改質方法の実施例について、添付図面を参照して具体的に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明に係る表面改質方法を実施している状態を示す斜視図である。本実施例１で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、耐食性材料４としてのニッケル基合金で全体を形成した回転治具２とから構成されている。
【００３０】
そして、金属基材１表面に耐食性材料４から成る回転治具２を接触させて矢印方向に回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を矢印方向に起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１表面に耐食性材料４から成る肉盛層（摩擦肉盛層）３が形成される。形成された摩擦肉盛層３は、金属基材１に比較して耐食性が良好であるため、金属基材１表面の耐食性を向上させ、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３１】
また、本実施例１において使用した回転治具２の構成材としてニッケル基合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れの発生を効果的に防止することができる。
【００３２】
また、本実施例１で使用した回転治具２を構成する耐食性材料４としてチタンあるいはチタン合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３３】
また、本実施例１で使用した回転治具２を構成する耐食性材料４としてジルコニウムあるいはジルコニウム合金を採用することにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００３４】
また、本実施例１に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れが低減されると共に、発生した割れに耐食性材料が埋め込まれるために、割れを補修することも可能になる。
【００３５】
また、本実施例１に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位で水中に浸漬した部位に適用した場合においても、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させると共に、割れを補修することが可能になる。
【００３６】
本実施例１に係る表面改質方法によれば、耐食性材料４を摩擦攪拌することにより金属基材１表面に摩擦肉盛層３を形成しているため、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減することができる。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明に係る表面改質方法の実施例２について図２を参照して説明する。図２は本発明に係る表面改質方法の実施例２を実施している状態を示す斜視図である。本実施例２で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、金属基材１表面に配置された板状または箔状の耐食性材料１１と、高硬度の超硬合金を構成材として円柱状に形成された非消耗型の回転治具１２とから構成されている。また、回転治具の先端部１２ａは球面状に形成されている。
【００３８】
そして、上記金属基材１表面に接触させる耐食性材料としての薄板または箔を金属基材１表面に配置した後に、非消耗型の回転治具１２の先端部１２ａを接触させて回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１と耐食性材料１１とが接合されると共に、金属基材１表面に耐食性材料４から成る摩擦攪拌層１３が形成される。この摩擦攪拌層１３には、耐食性材料４が金属基材１方向に拡散して形成される拡散層１４を含んでいる。
【００３９】
形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料１１と同一材料から成るため、金属基材１と比較して耐食性が良好であり、金属基材１表面の耐食性を向上させて原子炉運転中の高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４０】
また、本実施例２で使用した薄板状または箔状の耐食性材料１１に替えて、粉末状の耐食性材料または耐食性材料を含有する液体を塗布・乾燥した耐食性材料層を形成した場合においても、非消耗型の高硬度を有する回転治具１２を摩擦攪拌することにより金属基材１と耐食性材料とが接合される。形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料と同一材料であるため、金属基材１と比較して耐食性が良好であり、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４１】
また、本実施例２において使用した耐食性材料１１に替えて溶射により金属基材１表面に耐食性材料層を形成した場合においても、非消耗型の高硬度を有する回転治具１２を摩擦攪拌することにより金属基材１と耐食性材料とが接合される。形成された摩擦攪拌層１３は、耐食性材料１１と同一材料で形成されているために、金属基材１に比較して耐食性が良好であり、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４２】
また、本実施例２に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修が可能になる。
【００４３】
また、本実施例２に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に対して原子炉内水中で実施した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も可能になる。
【００４４】
本実施例２に係る表面改質方法によれば、金属基材１に耐食性材料１１を接触させ、非消耗型の高硬度を有する回転治具を用いて摩擦攪拌して両部材を接合させることにより、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中での高温高圧水環境下における応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【実施例３】
【００４５】
次に、本発明の実施例３について図３を参照して説明する。図３は本発明に係る表面改質方法の実施例３を実施している状態を示す斜視図である。本実施例３で使用する機材は、原子炉内構造物や配管を構成する金属基材１と、高硬度の超硬合金を構成材として円柱状に形成された非消耗型の回転治具２２と、回転治具２２の表面に付着された粉末状の耐食性材料２１とから構成されている。
【００４６】
そして、金属基材１に対し耐食性材料２１が表面に付着している高硬度を有する非消耗型の回転治具２２を金属基材１表面に接触させて矢印方向に回転させると共に、金属基材１方向に加圧しながら接触面の相対運動を矢印方向に起こす摩擦攪拌を実施することにより、金属基材１表面に耐食性材料２１から成る摩擦攪拌層２３が形成される。この摩擦攪拌層２３には、耐食性材料２１が金属基材１方向に拡散して形成される拡散層１４を含んでいる。
【００４７】
本実施例３に係る表面改質方法によれば、摩擦攪拌を実施することにより、耐食性材料２１が金属基材１表面に拡散するため、金属基材１表面の耐食性が増加し、原子炉運転中の高温高圧水環境下における金属基材１の応力腐食割れを効果的に低減することができる。
【００４８】
また、本実施例３に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に適用した場合には、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も可能となる。
【００４９】
また、本実施例３に係る表面改質方法を、運転中の原子力プラントにおいて耐応力腐食割れ性が要求される部位に原子炉内水中で実施することも可能であり、この場合、当該部位の高温高圧水環境下における応力腐食割れを低減させる補修も実施できる。
【００５０】
本実施例３に係る表面改質方法によれば、耐食性材料が表面に付着している非消耗型の高硬度を有する回転治具を金属基材１に押圧させた状態で摩擦攪拌を実施しているために、ステンレス鋼製の原子炉内構造物や配管の原子炉運転中の高温高圧水環境下における応力腐食割れの発生を低減できる。
【実施例４】
【００５１】
次に、本発明の他の実施例について図４〜図７を参照して、より詳細に説明する。図４は本発明に係る表面改質方法の実施例４において、摩擦攪拌を実施する前の状態を示す斜視図であり、図５は摩擦攪拌を実施した後の状態を示す斜視図である。また、図６は図４に示す状態の側断面図であり、図７は図５に示す状態の側断面図である。
【００５２】
本実施例４に係る表面改質方法を適用する金属基材１は、例えば原子力プラントにおける原子炉内構造物や配管を構成する金属基材であり、鉄合金、ニッケル基合金、ステンレス鋼、チタン合金等あらゆる金属が対象となる。本実施例４ではステンレス鋼製の金属基材１に適用した場合を説明する。
【００５３】
圧接棒として作用する回転治具３２は、回転運動や往復運動が可能なものであれば形状に制限はないが、攪拌作用を均一に行うために丸棒が好適である。回転治具３２の材質は、基本的には、金属基材１と同一材料のとも材であるステンレス鋼が採用されるが、チタン、ジルコニウムやその酸化物であるチタニアやジルコニア等の耐食性材料３１を含有した材料で形成しても良い。この耐食性材料３１を含有させる方法としては、耐食性材料３１を回転治具３２の構成材に固溶させてもよいし、耐食性材料３１と回転治具３２の構成材とを、粉末冶金法やメカニカルアロイング法で複合化する方法でも良い。本実施例４においては、図４および図６に示すように、耐食性材料３１としてチタニア（ＴｉＯ２）粉末を処理対象となる金属基材１表面に予め分散配置した。
【００５４】
上記回転治具３２は、金属基材１表面に加圧接触された状態で回転される。そして接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌が実行される。このとき、接触面の摩擦により、金属基材（被改質材）１と回転治具（圧接棒）３２との間で新生面が出現し、図５および図７に示すように、耐食性材料３１の固相拡散が生じて拡散層１４が形成されると共に、金属基材１と耐食性材料３１とが摩擦によって攪拌され、摩擦攪拌層３３が形成される。
【００５５】
上記実施例４に係る表面改質方法によれば、金属基材１表面に耐食性材料３１と基材成分とから成る摩擦攪拌槽３３および拡散層１４が形成されているために、金属基材１表面の耐食性が向上し金属基材１の応力腐食割れが効果的に防止される。
【００５６】
なお、チタンやチタニアが回転治具３２に含有されたり付着されたりしている場合には、金属基材１の表面近傍で上記チタンやチタニアが包含された状態になる。チタニアやジルコニア３等の耐食性材料３１は、図４に示すように金属基材１表面に、塗布、蒸着、溶射、イオン注入等により予め配置しておいてもよい。この耐食性材料３１の一部は摩擦攪拌時に金属基材１表面内に巻き込まれ、基材表面近傍に包含される。
【００５７】
図６および図７は、それぞれ図４および図５に示す状態を側面から観察した断面図であり、図６は表面改質施工前で摩擦攪拌の準備段階を示し、図７は表面改質施工後で摩擦攪拌の完了段階を示す。図７に示すように、回転治具（圧接棒）３２が通過すると金属基材１表面にあったチタニア粉末３が金属基材１の表面近傍に包含され、摩擦攪拌槽３３および拡散層１４が形成される。チタニア３の包含量を増やすためには、塗布の密度を高くするか、チタニアを含有した回転治具３２を併用する。また回転治具３２の回転速度、形状、移動速度を変更して攪拌強度を調整することも可能である。いずれにしても、回転治具３２は、摺動摩耗により経時的に損耗していくので、適当な時期に交換する必要がある。
【００５８】
なお、本実施例４で使用した金属基材１のように、ステンレス鋼で構成された構造物では、通常は部材表面にクロム酸化膜が存在することにより耐食性を維持している。しかしながら、構造物としての過酷な使用条件や加工方法によっては、本来、均一であるべきクロム濃度にばらつきが生じ、耐食性が劣化する。同様な理由で、金属基材組織に局部的に強度や硬さのばらつきが発生することに起因する内部ひずみが相乗して、割れが生ずる場合がある。そのような場合に、摩擦攪拌を実施することにより、それまでのクロム酸化膜は破壊されるが、新生面が形成される際に摩擦熱で組成の均一化が進行し、良好なクロム酸化膜が再生され、金属基材の耐食性が改善される。また、元の表面が破壊され接合部が新生表面に更新される一方、入熱領域が狭い範囲に限定されるため、加工ひずみは回転治具の回転と摩擦熱とにより減少する効果が得られる。
【００５９】
さらに、摩擦攪拌によってチタンやジルコニウムがステンレス鋼（基材）表面に埋没されることにより、これらの耐食性材料が金属基材内部に均一に分散し、摩擦熱による基材表面近傍におけるスカベンジ効果により、金属基材の結晶粒内で不純物が捕獲され、粒界付近における不純物が低減できるため、耐食性の向上が達成できる。一方、チタニアやジルコニアが金属基材の組織内に均一に埋没されると、金属基材の機械的強度や硬度も均一になり、基材組織の粒界破壊が効果的に抑制できる効果も得られる。
【００６０】
また金属基材（被表面改質材）に微小亀裂が発生している場合、圧接棒としての回転治具がとも材で構成されていれば、摩擦圧接の原理により亀裂を埋め合わせることができる。摩擦圧接は異種金属を効果的に接合できる優れた手法であり、接合する部材を高速で擦り合わせ、その摺動時に生じる摩擦熱と圧力とによって、通常の溶接では接合されにくい部材同士を結合する手法である。一般的には、対象部材同士を固定して押し付け合わせ、少なくとも一方の部材を回転させる必要があるが、金属基材（被表面改質材）が構造部材であれば、圧接棒としての回転治具のみを回転させることにより同様の効果を得ることができる。
【００６１】
本実施例のような金属表面改質方法は、素材段階のみならず、既にプラントに組み込まれて稼動している部材についても、圧接棒としての回転治具のアクセスさえ確保できれば施工が可能である。その場合、必要な箇所、例えばステンレス鋼構造物であれば溶接熱影響部およびその周辺、あるいは屈曲部だけに施工しても良い。
【００６２】
本実施例に係る金属表面改質方法によれば、金属材料の表面において、腐食や応力腐食割れの抑制効果を長期間持続させることができ、残留応力や微小亀裂が存在する場合にはその補修処理も兼ねる表面改質手法が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明に係る表面改質方法の第１実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図２】本発明に係る表面改質方法の第２実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図３】本発明に係る表面改質方法の第３実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図４】本発明に係る表面改質方法の第４実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図５】本発明に係る表面改質方法の第５実施例を実施している状態を示す斜視図。
【図６】図４に示す状態の側断面図。
【図７】図５に示す状態の側断面図。
【符号の説明】
【００６４】
１ 金属基材（被改質処理材）
２ 耐食性材料で構成された回転治具
３ 摩擦肉盛層
４ 耐食性材料
１１、２１、３１ 耐食性材料（チタニア粉末）
１２、２２、３２ 高硬度を有する回転治具
１２ａ 回転工具の先端部
１３、２３、３３ 摩擦攪拌層
１４ 拡散層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項２】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてニッケル基合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項３】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてチタンあるいはチタン合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項４】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてジルコニウムあるいはジルコニウム合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項５】
金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項６】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料としての薄板、箔、粉末の少なくとも１種を金属基材表面に配置した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項７】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がチタンあるいはチタニアであることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項８】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がジルコニウムあるいはジルコニアであることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項９】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することによって耐食性材料層を形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１０】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を溶射によって形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１１】
請求項１または５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を先端に一体的に保持した回転治具を用い、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１２】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有した焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具を用い、この回転治具を金属基材表面に押圧し、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の金属表面改質方法において、前記金属基材が原子力プラントの原子炉内構造物または配管であることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の金属表面改質方法において、前記金属基材に対する金属表面改質方法を水中で実施し、金属基材表面に発生した応力腐食割れを補修することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１】
金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料から成る肉盛層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項２】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてニッケル基合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項３】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてチタンあるいはチタン合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項４】
請求項１記載の金属表面改質方法において、前記肉盛層を構成する耐食性材料としてジルコニウムあるいはジルコニウム合金を用いることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項５】
金属基材表面に耐食性材料を接触させて加圧しながら接触面の相対運動を起こす摩擦攪拌を実施し、金属基材表面に耐食性材料を拡散させた拡散層を形成することにより、金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項６】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料としての薄板、箔、粉末の少なくとも１種を金属基材表面に配置した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項７】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がチタンあるいはチタニアであることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項８】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料がジルコニウムあるいはジルコニアであることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項９】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有する液体を塗布乾燥することによって耐食性材料層を形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１０】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を溶射によって形成した後に、摩擦攪拌を実施し耐食性材料を金属基材表面に拡散させることにより金属基材表面の耐食性を向上させ応力腐食割れを防止することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１１】
請求項１または５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を先端に一体的に保持した回転治具を用い、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１２】
請求項５記載の金属表面改質方法において、前記金属基材表面に接触させる耐食性材料を含有した焼結体またはバインダ固化体から成る回転治具を用い、この回転治具を金属基材表面に押圧し、接触面の相対運動が回転運動である摩擦攪拌を実施することを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれかに記載の金属表面改質方法において、前記金属基材が原子力プラントの原子炉内構造物または配管であることを特徴とする金属表面改質方法。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれかに記載の金属表面改質方法において、前記金属基材に対する金属表面改質方法を水中で実施し、金属基材表面に発生した応力腐食割れを補修することを特徴とする金属表面改質方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−２２９７２１（Ｐ２００７−２２９７２１Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０８３０（Ｐ２００６−５０８３０）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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